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探索c#之不可變數據類型，

編輯：C#入門知識

探索c#之不可變數據類型，

閱讀目錄:

不可變對象

不可變(immutable)：即對象一旦被創建初始化後，它們的值就不能被改變，之後的每次改變都會產生一個新對象。

var str="mushroomsir";
str.Substring(0, 6)

c#中的string是不可變的，Substring(0, 6)返回的是一個新字符串值，而原字符串在共享域中是不變的。另外一個StringBuilder是可變的，這也是推薦使用StringBuilder的原因。

var age=18;

當存儲值18的內存分配給age變量時，它的內存值也是不可以被修改的。

age=2;

此時會在棧中開辟新值2賦值給age變量，而不能改變18這個內存裡的值，int在c#中也是不可變的。

class Contact
{ 
    public string Name { get;  set; }
    public string Address { get;  set; }
    public Contact(string contactName, string contactAddress)
    {
        Name = contactName;
        Address = contactAddress;               
    }
}
   var mutable = new Contact("二毛", "清華");
   mutable.Name = "大毛";
   mutable.Address = "北大";

我們實例化MutableContact賦值給mutable，隨後我們可以修改MutableContact對象內部字段值，它已經不是初始後的值，可稱為可變(mutable)對象。

可變對象在多線程並發中共享，是存在一些問題的。多線程下A線程賦值到 Name = "大毛" 這一步，其他的線程有可能讀取到的數據就是：

  mutable.Name == "大毛";
  mutable.Address == "清華";

很明顯這樣數據完整性就不能保障，也有稱數據撕裂。我們把可變對象更改為不可變對象如下：

public class Contact2
{
    public string Name { get; private set; }
    public string Address { get; private set; }
    private Contact2(string contactName, string contactAddress)
    {
        Name = contactName;
        Address = contactAddress;               
    }
    public static Contact2 CreateContact(string name, string address)
    {
        return new Contact2(name, address);
    }
}

使用時只能通過Contact2的構造函數來初始化Name和Address字段。Contact2此時即為不可變對象，因為對象本身是個不可變整體。通過使用不可變對象可以不用擔心數據完整性，也能保證數據安全性，不會被其他線程修改。

自定義不可變集合

我們去枚舉可變集合時，出於線程安全的考慮我們往往需要進行加鎖處理，防止該集合在其他線程被修改，而使用不可變集合則能避免這個問題。我們平常使用的數據結構都是采用可變模式來實現的，那怎麼實現一個不可變數據結構呢！以棧來示例，具體代碼如下：

public interface IStack<T> : IEnumerable<T> { IStack<T> Push(T value); IStack<T> Pop(); T Peek(); bool IsEmpty { get; } } public sealed class Stack<T> : IStack<T> { private sealed class EmptyStack : IStack<T> { public bool IsEmpty { get { return true; } } public T Peek() { throw new Exception("Empty stack"); } public IStack<T> Push(T value) { return new Stack<T>(value, this); } public IStack<T> Pop() { throw new Exception("Empty stack"); } public IEnumerator<T> GetEnumerator() { yield break; } IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() { return this.GetEnumerator(); } } private static readonly EmptyStack empty = new EmptyStack(); public static IStack<T> Empty { get { return empty; } } private readonly T head; private readonly IStack<T> tail; private Stack(T head, IStack<T> tail) { this.head = head; this.tail = tail; } public bool IsEmpty { get { return false; } } public T Peek() { return head; } public IStack<T> Pop() { return tail; } public IStack<T> Push(T value) { return new Stack<T>(value, this); } public IEnumerator<T> GetEnumerator() { for (IStack<T> stack = this; !stack.IsEmpty; stack = stack.Pop()) yield return stack.Peek(); } IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() { return this.GetEnumerator(); } } View Code

入棧時會實例化一個新棧對象
將新值通過構造函數傳入，並存放在新對象Head位置，舊棧對象放在在Tail位置引用
出棧時返回當前棧對象的Tail引用的棧對象

使用方法如下：

IStack<int> s1 = Stack<int>.Empty;
IStack<int> s2 = s1.Push(10);
IStack<int> s3 = s2.Push(20);
IStack<int> s4 = s3.Push(30);
IStack<int> v3 = s4.Pop();
foreach (var item in s4)
{
//dosomething
}

每次Push都是一個新對象，舊對象不可修改，這樣在枚舉集合就不需要擔心其他線程修改了。

Net提供的不可變集合

不可變隊列，不可變列表等數據結構如果都自己實現工作量確實有點大。幸好的是Net在4.5版本已經提供了不可變集合的基礎類庫。使用Nuget安裝：

Install-Package Microsoft.Bcl.Immutable

使用如下，和上面我們自定義的幾乎一樣：

        ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;
        ImmutableStack<int> a2 = a1.Push(10);
        ImmutableStack<int> a3 = a2.Push(20);
        ImmutableStack<int> a4 = a3.Push(30);
        ImmutableStack<int> iv3 = a4.Pop();

使用Net不可變列表集合有一點要注意的是，當我們Push值時要重新賦值給原變量才正確，因為push後會生成一個新對象，原a1只是舊值：

   ImmutableStack<int> a1 = ImmutableStack<int>.Empty;
   a1.Push(10); //不正確，a1仍是空值值，push會生成新的棧。
   a1 = a1.Push(10); //需要將新棧重新賦值給a1

NET提供的常用數據結構

ImmutableStack
ImmutableQueue
ImmutableList
ImmutableHashSet
ImmutableSortedSet
ImmutableDictionary<K, V>
ImmutableSortedDictionary<K, V>

不可變集合和可變集合在算法復雜度上的不同：

不可變優點

集合共享安全，從不被改變
訪問集合時，不需要鎖集合（線程安全）
修改集合不擔心舊集合被改變
書寫更簡潔，函數式風格。 var list = ImmutableList.Empty.Add(10).Add(20).Add(30);
保證數據完整性，安全性

不可變對象缺點

不可變本身的優點即是缺點，當每次對象/集合操作都會返回個新值。而舊值依舊會保留一段時間，這會使內存有極大開銷，也會給GC造成回收負擔，性能也比可變集合差的多。

跟string和StringBuild一樣，Net提供的不可變集合也增加了批量操作的API，用來避免大量創建對象：

     ImmutableList<string> immutable = ImmutableList<string>.Empty;
        //轉換成可批量操作的集合
        var immutable2 = immutable.ToBuilder();
        immutable2.Add("xx");
        immutable2.Add("xxx");
        //還原成不可變集合
        immutable = immutable2.ToImmutable();

我們來對比下可變集合、不可變Builder集合、不可變集合的性能，添加新對象1000W次：

比較代碼如下：

private static void List() { var list = new List<object>(); var sp = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++) { var obj = new object(); list.Add(obj); } Console.WriteLine("可變列表集合:"+sp.Elapsed); } private static void BuilderImmutableList() { var list = ImmutableList<object>.Empty; var sp = Stopwatch.StartNew(); var blist= list.ToBuilder(); for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++) { var obj = new object(); blist.Add(obj); } list=blist.ToImmutable(); Console.WriteLine("不可變Builder列表集合:"+sp.Elapsed); } private static void ImmutableList() { var list = ImmutableList<object>.Empty; var sp = Stopwatch.StartNew(); for (int i = 0; i < 1000 * 10000; i++) { var obj = new object(); list = list.Add(obj); } Console.WriteLine("不可變列表集合:" + sp.Elapsed); } View Code

另外一個缺點比較有趣，也有不少人忽略。由於string的不可變特性，所以當我們使用string在保存敏感信息時，就需要特別注意。
比如密碼 var pwd="mushroomsir"，此時密碼會以明文存儲在內存中，也許你稍後會加密置空等，但這都是會生成新值的。而明文會長時間存儲在共享域內存中，任何能拿到dump文件的人都可以看到明文，增加了密碼被竊取的風險。當然這不是一個新問題，net2.0提供的有SecureString來進行安全存儲，使用時進行恢復及清理。

IntPtr addr = Marshal.SecureStringToBSTR(secureString);
string temp = Marshal.PtrToStringBSTR(addr);
Marshal.ZeroFreeBSTR(addr);
WriteProcessMemory(...)